Klimaændringer og havilt:Iltfattige zoner krympede under tidligere varme perioder, opdager videnskabsmænd

I de sidste 50 år er iltfattige zoner i det åbne hav steget. Forskere har tilskrevet denne udvikling til stigende globale temperaturer:Mindre ilt opløses i varmere vand, og det tropiske oceans lag kan blive mere lagdelt.

Men nu har et internationalt hold af forskere ledet af forskere fra Max Planck Institute for Chemistry og Princeton University, i modsætning til udbredte forventninger, opdaget, at iltmangelzoner skrumpede ind under lange varme perioder tidligere.

"Vi havde ikke forventet en så klar effekt," sagde Alexandra Auderset, førsteforfatter til det nye papir i tidsskriftet Nature og i øjeblikket en gæstende postdoc-forsker ved Princeton University. Hun ledede studiet med Alfredo Martínez-García ved Max Planck Institute for Chemistry i Mainz, som en del af et langsigtet samarbejde med Daniel Sigmans gruppe ved Princeton University.

Det er vigtigt at forstå disse ændringer, fordi "når ilt bliver knap, har livet en sværere tid," sagde Sigman, Dusenbury-professor i geologiske og geofysiske videnskaber. For eksempel, i områder med lavt iltindhold i det østlige Stillehav og det nordlige Indiske Ocean, kan kun specialiserede mikrober og organismer med et langsomt stofskifte – såsom vandmænd – overleve.

Fortidens iltindhold i havene kan aflæses i sedimenter

Forskerne gjorde denne opdagelse ved at studere marine sedimentarkiver. Borekerner kan bruges til at bestemme tidligere miljøforhold på samme måde som træringe. Sedimentlagene giver blandt andet information om iltindholdet i havet tidligere. Dette skyldes plankton såsom foraminiferer, som engang levede ved havoverfladen, og hvis skeletter sank til havbunden, hvor de blev en del af sedimentet.

I løbet af deres levetid optog disse zooplankton kemiske grundstoffer såsom nitrogen, hvis isotopforhold igen afhang af miljøforhold:Under iltmangeltilstande sker der en proces kaldet bakteriel denitrifikation, hvor bakterier omdanner næringsstoffet nitrat til molekylært nitrogen. Disse bakterier foretrækker at optage lette isotoper af nitrogen i stedet for tunge, så forholdet skifter i perioder, hvor bakterierne var aktive i havene. Forskere kan måle dette for at bestemme omfanget af tidligere iltfattige zoner.

Det tropiske Stillehav var godt iltet i tidligere varme perioder

Ved hjælp af nitrogenisotoper fra foraminifer viste forskerne fra Mainz og Princeton, at denitrifikationen i vandsøjlen i det østlige tropiske nordlige Stillehav blev kraftigt reduceret under to varme faser for omkring 16 og 50 millioner år siden.

"Vi har arbejdet i årtier for at udvikle de metoder, der tillod disse resultater," sagde Sigman. "Og med det samme ændrer resultaterne vores syn på forholdet mellem klima og havets iltforhold."

Det er dog endnu ikke klart, hvad det betyder for den nuværende udvidelse af de iltmangelfulde åbne havzoner, sagde Auderset. "Desværre ved vi endnu ikke, om vores opdagelse af krympende marine iltmangelzoner er gældende for de kommende årtier eller kun på meget længere sigt," sagde hun. "Dette er, fordi vi skal afgøre, om kort- eller langsigtede processer var ansvarlige for ændringen."

Søger efter årsagen

En førende mulighed for faldet i iltfattige zoner under opvarmning involverer en reduktion i den opstrømningsdrevne biologiske produktivitet af tropiske overfladevande. Et fald i produktiviteten kunne være opstået, fordi vindene blev svækket i det ækvatoriale Stillehav under varmere klima.

I den aktuelle undersøgelse fandt forfatterne også ud af, at i løbet af de to varme perioder i cenozoikum - det midt-miocæne klimaoptimum for omkring 16 millioner år siden og det tidlige eocæne klimaoptimum for omkring 50 millioner år siden - temperaturforskellen mellem høje og lave breddegrader var meget mindre end i dag. Både den globale opvarmning og svækkelsen af ​​temperaturforskellen fra høj til lav breddegrad burde have virket til at svække tropiske vinde og reducere opstrømningen af ​​næringsrigt dybt havvand. Dette ville igen have resulteret i lavere biologisk produktivitet ved overfladen og mindre nedsænkning af døde alger, organisk materiale i det dybe hav, hvilket ville give mindre brændstof til det iltforbrug, der giver iltmangel.

Denne kæde af begivenheder kan forekomme relativt hurtigt. Således, hvis en lignende ændring også gælder for menneskedrevet global opvarmning, så kan der være et fald i omfanget af åbent hav iltmangel i de kommende årtier.

Alternativt kan årsagen ligge i det sydlige ocean, tusindvis af kilometer væk. I løbet af tidligere længerevarende varme perioder kan udvekslingsvandet mellem det sydlige Oceans overfladevand og det dybe hav (“dybhav der vælter”) være accelereret, hvilket har ført til højere ilt i havets indre som helhed og dermed krympet iltfattige zoner. Hvis stærkere væltning af dybhavet drevet af det sydlige ocean var hovedårsagen til de krympede tropiske iltmangelzoner, så ville denne effekt tidligst tage mere end hundrede år at komme i spil.

"Begge mekanismer spiller sandsynligvis en rolle," sagde Martínez-García, en tidligere gæsteforsker i Sigmans forskningsgruppe. "Løbet er nu i gang for at finde ud af, hvilken mekanisme der er vigtigst."

I betragtning af fremtiden

"Med vores nuværende usikkerhed om tidsskalaen for forandringer i tankerne, har vores resultater vigtige konsekvenser for fremtiden for havilt," sagde Sigman. "På grund af den lavere opløselighed af ilt i varmt vand er det meget sandsynligt, at det globale oceans overfladevand fortsætter med at falde, men vores resultater tyder på, at åbne hav iltmangelzoner i sidste ende vil skrumpe. Nettoresultatet vil være et hav med svagere rumlige variation i ilt, end der findes i dag, og dette vil påvirke havets økosystemer."

I kystnære farvande kan øget iltmangel skade økosystemer og true menneskelige aktiviteter. Imidlertid er de iltfattige zoner i det åbne hav fundamentale for Jordens kemiske og biologiske kredsløb. Desuden, hvis deres svind er forårsaget af en reduktion i tropisk produktivitet, så ville de kombinerede ændringer sandsynligvis være dårlige for det tropiske oceans biologiske produktivitet og dets fiskeri. I betragtning af den komplekse kaskade af virkninger forbundet med klimaændringer, sagde forskerne, alt kræver en indsats for at begrænse menneskedrevet opvarmning. + Udforsk yderligere

Havisen forhindrede ilt i at nå dybhavet under sidste istid